一种适用于不同温差地区的改性沥青混合料设计方法

摘要

本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种适用于不同温差地区改性沥青混合料的设计方法。包括确定地区年温差、选择沥青混合料的种类、原材料的选择及测试、矿料的级配设计、油石比的确定、制备改性沥青混合料、降温性能和路用性能检验、测定“热变点”和“冷变点”及根据“热变点”“冷变点”评价改性沥青混合料。本发明可以有效解决我国不同地区路面温度病害的差异性问题，为评价高温稳定性与低温抗裂性提供定量指标，并开发出既能改善高温下路用性能又能增强其低温抗裂性的改性沥青混合料，具有较高的工程实践价值。

说明书

技术领域

本发明属于道路工程技术领域，涉及沥青混合料，尤其涉及一种适用于不同温差地区改性沥青混合料的设计方法。

背景技术

沥青路面由于具有良好的平整度、舒适性、低噪音、行车舒适、耐磨、易于维护等优点，广泛应用于我国高等级公路。然而，沥青路面极易产生高温车辙、低温裂缝等病害，对此至今没有有效的解决办法。沥青路面的低温、高温破坏主要与环境温度、交通荷载以及路面材料与结构有关。我国幅员辽阔，气候多变，不同地区间差异很大。在东北、新疆、陕西西北部等北方地区，冬夏温差大，昼夜温差大，部分地区冬夏温差可达70℃，冬季昼夜温差可达20～30℃。夏季沥青路面易因高温失稳而产生车辙病害，冬季低温易引起路面收缩开裂。而在海南、广东等南方地区，冬夏温差小，昼夜温差小，全年普遍高温，年平均温度在20℃以上，沥青路面病害主要以高温车辙为主，极少出现低温裂缝。

在道路工程研究中，环境温度是难以控制的因素。对于由路面温度引起的病害，国内外学者大多采用提高沥青混合料在特殊环境下路用性能的方法解决，如提出改性沥青、添加纤维、优化级配等，这些“被动”措施可以缓解部分地区的温度病害问题，但对于高温差地区，缓解效果却不明显。武汉理工大学胡曙光、丁庆军等人研制了一种相变沥青路面材料的制备方法，用于提高沥青路面高温稳定性。沥青路面的高温稳定性与低温抗裂性相互矛盾，该相变沥青路面材料提高了路面高温稳定性，却无法保证其低温抗裂性。在低温环境下，路面极易开裂破坏。

现在对于高温稳定性与低温抗裂性的评价大多采用不同材料，不同级配间的定性比较，而缺少定量评价指标。

而针对我国不同温差地区路面温度病害的差异，没有与其相对应的沥青混合料的设计方法。另外，现有沥青混合料普遍存在着高温稳定性与低温抗裂性相矛盾的问题，因此，有必要提供一种新的设计方法，来设计适用于不同温差地区的改性沥青混合料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使用于不同温差地区的改性沥青混合料设计方法，旨在解决我国

不同地区路面温度病害存在差异，沥青混合料高温稳定性与低温抗裂性相矛盾的问题。

为解决上述问题，本发明提供了如下的技术方案:

一种适用于不同温差地区的改性沥青混合料设计方法，具体步骤如下：

(1)确定温度变化范围；

(2)根据工程要求选择沥青混合料的种类；

(3)原材料的选择及测试：

a.复合定形相变材料的制备及测试：

①.相变材料及载体的选择

结合沥青混合料的及实际路面温度确定相变材料的温度变化范围，在满足较高的相变潜热条件下合理选择相变材料，并根据所选相变材料确定相对应的载体。

②.定形相变材料的制备

将①中所选材料采用真空浸渍法，通过封装工艺制备成定形相变材料。

③.定形相变材料的性能测试

将②制得的样品通过综合热分析物热特性，确定相变潜热、相变温度等性能。

b.改性沥青的筛选：

根据地区路面低温抗裂性的要求，选择经济合适的改性沥青并对其技术性指标进行测试。

c.基质沥青、粗集料、细集料及矿粉的选择：

选择工程中常用的材料，并对其技术性质进行测试。

(4)矿料的级配设计；

根据所选沥青混合料种类，查找相关工程级配设计范围和各组成材料筛分试验资料，通过计算得到符合要求的各组成材料用量，其中用定形相变材料按最佳掺配比代替部分细集料。

(5)油石比的确定；

通过马歇尔试验确定沥青混合料的油石比。

(6)制备改性沥青混合料；

(7)降温、路用性能检验；

根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)检测改性沥青混合料的性能，进行浸水马歇尔实验、车辙实验、低温弯曲实验，并分析其降温性能与路用性能，确定降温区间。

(8)测定“热变点”和“冷变点”；

通过不同温度下的车辙实验和低温弯曲实验，分别建立车辙动稳定度与温度的曲线关系和应变能密度临界值与温度的曲线关系，找到改性沥青混合料路用性能突变的“热变点”和“冷变点”。其中，“热变点”和“冷变点”分别指的是一个高温抗变形和低温抗变形的临界温度，当路面超过或低于这个温度时，改性沥青混合料的动稳定度或应变能密度临界值发生急剧下降，其各项路用性能将随之急剧降低。

(9)将“冷变点”与地区最低温度比较，若“冷变点”低于最低温度，则进行下一步；否则，重复步骤(2)～(8)；

(10)将(3)中测得的定形相变材料的相变温度与“热变点”比较，若低于“热变点”，则进行下一步；否则，重复步骤(2)～(9)；

(11)根据步骤(7)得到改性沥青混合料的降温区间，与地区年最高气温之差为路面最高气温变化区间，若该区间最高温度低于“热变点”，则选用该改性沥青混合料；否则，重复步骤(2)～(10)。

本发明提供的一种适用于不同温差地区的改性沥青混合料设计方法，可以有效解决我国不同同地区路面温度病害的差异性问题，为评价高温稳定性与低温抗裂性提供定量指标，并开发出既能改善高温下路用性能又能增强其低温抗裂性的改性沥青混合料。本发明的广泛应用将显著提升沥青路面的设计水平与使用寿命，对提高公路建设质量和服役水平具有重要的工程实践价值。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清楚明白，下面结合具体实例对本发明作进一步地具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此。具体按照以下步骤进行：

1.确定温度变化范围

确定高温上限为50℃，低温下限为-10℃，即温度研究范围为-10℃～50℃。

2.选择沥青混合料的种类

采用AC-16沥青混合料。

3.原材料的选择及测试

(1)定形相变材料的制备及测试

本实例选用PEG4000作为相变材料，膨胀珍珠岩为载体，采用真空浸渍法，通过封装工艺制备定形相变材料，通过综合热分析得到定形相变材料的相变温度50.3℃，相变潜热为153J/g。

(2)改性沥青的筛选

因低温下限为-10℃，要求改性沥青低温抗裂性要较好且经济实惠，因此，选用硅藻土作为改性剂，其含量为沥青质量的2％，具体技术性质试验结果见表1。

表1：硅藻土改性沥青技术性质

(3)基质沥青、粗集料、细集料及矿粉的选择

采用国产70#沥青，石灰岩碎石、机制砂、石灰岩矿粉，其技术性质试验成果见表2～表5

表2：基质沥青的技术性质

表3：粗集料的技术性质

表4：细集料的技术性质

表观密度(g/cm³)>坚固性(％)>含泥量(％)>砂当量(％)>亚甲蓝值(g/kg)>棱角性(s)>2.722>6.8>7>75.0>9.9>33.2>

表5：矿粉的技术性质

表观密度(g/cm³)>含水量(％)>亲水系数>加热安定性>2.677>0.3>0.85>加热前后没有明显变化>

4.矿料的级配设计

集料的合成级配见表6，各规格集料的用量比例见表7

表6：集料的合成级配

表7:各规格集料的用量比例

集料尺寸(mm)>9.5～19>4.75～9.5>2.36～4.75>机制砂>定形相变材料>矿粉>百分比(％)>28>25>16>22>5>4>

5.油石比的确定

通过修正马歇尔实验，确定最佳油石比为5.3％。

6.制备改性沥青混合料

采用国产70#基质沥青作为原材料进行沥青改性，以硅藻土为改性剂，选用合适的相容剂和其它助剂，添加PEG4000定形相变材料，制备改性沥青混合料。

7.降温性能、路用性能检验

用浸水马歇尔试验测试混合料的水稳定性，车辙试验测试混合料的高温稳稳定性，低温弯曲试验测试混合料的低温抗裂性能，其中车辙试验和低温弯曲试验以温度为变量进行多组实验，分析其降温性能和路用性能。测试得到其残留稳定度为100.4％，降温区间是4～6℃，不同温度下的车辙试验和低温弯曲试验的结果见表8～表9。

表8：不同温度下的车辙试验结果

温度(℃)>45>50>55>57>60>65>70>动稳定度(次/mm)>12000>10000>8000>4000>2000>1500>1000>

表9:不同温度下低温弯曲试验结果

温度(℃)>0>-5>-8>-10>-12>-15>-20>应变能密度临界值(KJ/m3)>30>27>25>22>20>10>5>

8.测定“热变点”和“冷变点”

分别建立车辙动稳定度与温度的曲线关系和应变能密度临界值与温度的曲线关系，找到改性沥青混合料路用性能突变的“热变点”和“冷变点”，分别是55℃和-12℃。

9.“冷变点”是-12℃，小于低温下限-10℃，满足要求，进行下一步。

10.“热变点”是55℃，高于定形相变材料的相变温度50.3℃，符合要求，进行下一步。

(11)根据步骤7得到改性沥青混合料的降温区间是5℃～10℃，与地区年最高气温之差所得路面最高气温变化区间是40℃～45℃，该区间最高温度低于“热变点”，可以选用该改性沥青混合料。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，本发明不限于该实施例，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应属于本发明所的保护范围。